碳弧氣刨的工作原理

1、.碳 弧 氣 刨     使用焊接技術(shù)制造金屬結(jié)構(gòu)時，必須先將金屬切割成符合要求的形狀，有時還需要刨削各種坡口，清焊根及清除焊接缺陷。雖然對金屬進行切割和刨削的方法多種多樣，然而應(yīng)用電弧熱切割和刨削金屬具有顯著的諸多優(yōu)點，因而被廣泛應(yīng)用。實際上，電弧切割與電弧氣刨的工作原理、電源、工具、材料及氣源完全一樣，不同之處僅僅在于具體操作略有不同?？梢哉J為電弧氣刨是電弧切割的一種特殊形式，而碳弧氣刨則是電弧氣刨家族中的一員。1.1 碳弧氣刨的原理、特點及應(yīng)用     1.1.1 原理   &#

2、160;碳弧氣刨是利用在碳棒與工件之間產(chǎn)生的電弧熱將金屬熔化，同時用壓縮空氣將這些熔化金屬吹掉，從而在金屬上刨削出溝槽的一種熱加工工藝。其工作原理如圖 1 所示。                   圖 1 碳弧氣刨工作原理示意圖 1-碳棒  2-氣刨槍夾頭  3-壓縮空氣  4-工件  5-電弧  L-碳棒外伸長   -碳棒與工件夾角  

3、0;  1.2 特點    1) 與用風(fēng)鏟或砂輪相比，效率高，噪音小，并可減輕勞動強度。    2) 與等離子弧氣刨相比，設(shè)備簡單，壓縮空氣容易獲得且成本低。    3) 由于碳弧氣刨是利用高溫而不是利用氧化作用刨削金屬的，因而不但適用于黑色金屬，而且還適用于不銹鋼、鋁、銅等有色金屬及其合金。    4) 由于碳弧氣刨是利用壓縮空氣把熔化金屬吹去，因而可進行全位置操作；手工碳弧氣刨的靈活性和可操作性較好，因而在狹窄工

4、位或可達性差的部位，碳弧氣刨仍可使用。    5) 在清除焊縫或鑄件缺陷時，被刨削面光潔錚亮，在電弧下可清楚地觀察到缺陷的形狀和深度，故有利于清除缺陷。    6) 碳弧氣刨也具有明顯的缺點，如產(chǎn)生煙霧、噪音較大、粉塵污染、弧光輻射、對操作者的技術(shù)要求高。    1.1.3 應(yīng)用    1) 清焊根。    2) 開坡口，特別是中、厚板對接坡口，管對接 U 形坡口。  

5、0; 3) 清除焊縫中的缺陷。    4) 清除鑄件的毛邊、飛刺澆鑄口及缺限。1.2 設(shè)備及材料    碳弧氣刨系統(tǒng)由電源、氣刨槍、碳棒、電纜氣管和壓縮空氣源等組成。如圖 2 所示。                圖 2 碳弧氣刨系統(tǒng)示意圖1-電源 2-氣刨槍  3-碳棒  4-電纜氣管  5-空氣壓縮機 &

6、#160;6-工件 1 2 3 4 5 6 碳 弧 氣 刨     1.2.1 電源    碳弧氣刨一般采用具有陡降外特性且動特性較好的手工直流電弧焊機作為電源。由于碳弧氣刨一般使用的電流較大，且連續(xù)工作時間較長，因此，應(yīng)選用功率較大的焊機。例如，當使用 7mm 的碳棒時，碳弧氣刨電流為 350A ，故宜選用額定電流為 500A 的手工直流電弧焊機作為電源。使用工頻交流焊接電源進行碳弧氣刨時，由于電流過零時間較長會引起電弧不穩(wěn)定，故在實際生產(chǎn)中一般并不使用

7、。近年來研制成功的交流方波焊接電源，尤其是逆變式交流方波焊接電源的過零時間極短，且動態(tài)特性和控制性能優(yōu)良，可應(yīng)用于碳弧氣刨。     1.2.2 氣刨槍    碳弧氣刨槍的電極夾頭應(yīng)導(dǎo)電性良好、夾持牢固，外殼絕緣及絕熱性能良好，更換碳棒方便，壓縮空氣噴射集中而準確，重量輕和使用方便。碳弧氣刨槍就是在焊條電弧焊鉗的基礎(chǔ)上，增加了壓縮空氣的進氣管和噴嘴而制成。碳弧氣刨槍有側(cè)面送氣和圓周送氣兩種類型。    (1) 側(cè)面送氣氣刨槍 側(cè)面送氣氣刨槍結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。側(cè)面送氣氣刨槍嘴

8、結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。             圖 3 側(cè)面送氣氣刨槍結(jié)構(gòu)示意圖     1-電纜氣管  2-氣刨槍體  3-噴嘴  4-噴氣孔    側(cè)面送氣氣刨槍的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，壓縮空氣緊貼碳棒噴出，碳棒長度調(diào)節(jié)方便。缺點：只能向左或右單一方向進行氣刨。    (2) 圓周送氣氣刨槍 圓周送氣氣刨槍只是槍嘴的結(jié)構(gòu)與

9、側(cè)面送氣氣刨槍有所不同。圓周送氣氣刨槍嘴結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。 圓周送氣氣刨槍的優(yōu)點：噴嘴外部與工件絕緣，壓縮空氣由碳棒四周噴出。碳棒冷卻均勻，適合在各個方向操作。缺點：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。      圖 4 側(cè)面送氣氣刨槍嘴結(jié)構(gòu)示意圖                圖 5 圓周送氣氣刨槍嘴結(jié)構(gòu)示意圖    1-電纜氣管的螺孔  2-氣道  3-

10、碳棒孔  4-緊固碳棒的螺孔     1.2.3 碳棒    碳棒是由碳、石墨加上適當?shù)恼澈蟿?，通過擠壓成形，焙烤后鍍一層銅而制成。碳棒主要分圓碳棒、扁碳棒和半圓碳棒三種，其中圓碳棒最常用。對碳棒的要求是耐高溫，導(dǎo)電性良好，不易斷裂，使用時散發(fā)煙霧及粉塵少。碳弧氣刨的碳棒規(guī)格及適用電流如表 1 所示。碳 弧 氣 刨 表 1 碳棒規(guī)格及適用電流 斷面形狀 規(guī)格 mm 適用電流 A 圓 形 3 × 355 150180 4 × 355 150200 5 × 355 150250

11、6 × 355 180300 7 × 355 200350 8 × 355 250400 9 × 355 350450 10 × 355 350500 扁 形 3 × 12 × 355 200300 4 × 8 × 355 180270 4 × 12 × 355 200400 5 × 10 × 355 300400 5 × 12 × 355 350450 5 × 15 × 355 400500 5 × 18 

12、5; 355 450550 5 × 20 × 355 500600 1.3 碳弧氣刨工藝     1.3.1 工藝參數(shù)及其影響    (1) 電源極性     碳弧氣刨一般采用直流反接 ( 工件接負極 ) 。這樣電弧穩(wěn)定，熔化金屬的流動性較好，凝固溫度較低，因此反接時刨削過程穩(wěn)定，電弧發(fā)出連續(xù)的刷刷聲，刨槽寬窄一致，光滑明亮。若極性接錯，電弧不穩(wěn)且發(fā)出斷續(xù)的嘟嘟聲。    (2) 電流與碳棒直徑  

13、;   電流與碳棒直徑成正比關(guān)系，一般可參照下面的經(jīng)驗公式選擇電流：                   I =(30 50) D                式中 I 電流 (A) ；   

14、60;               D 碳棒直徑 (mm) 。     對于一定直徑的碳棒，如果電流較小，則電弧不穩(wěn)，且易產(chǎn)生夾碳缺陷；適當增大電流，可提高刨削速度、刨槽表面光滑、寬度增大。在實際，應(yīng)用中，一般選用較大的電流，但電流過大時，碳棒燒損很快，甚至碳棒熔化，造成野重摻碳小碳棒直徑鈞選擇主要根據(jù)所需豹一般碳棒直徑應(yīng)比所要求的刨槽寬度小 2 4mm 。   &#

15、160;(3) 刨削速度     刨削速度對刨槽尺寸，表面質(zhì)量和刨削過程的穩(wěn)定性有一定的影響。刨削速度須與電流大小和刨槽深度 ( 或碳棒與工件間的夾角 ) 相匹配。刨削速度太快，易造成碳棒與金屬短路、電弧熄滅，形成夾碳缺陷。一般刨削速度為 0.5 1.2m/min 左右為宜。    (4) 壓縮空氣壓力     壓縮空氣的壓力會直接影響刨削速度和刨槽表面質(zhì)量；壓力高，可提高刨削速度和刨槽表面的光滑程度；壓力低，則造成刨槽表面粘渣。一般要求壓縮空氣的壓力為 0.4 0.6Mpa

16、 。壓縮空氣所含水分和油分可通過在壓縮空氣的管路中加過濾裝置予以限制。    (5) 碳棒的外伸長     碳棒從導(dǎo)電嘴到碳棒端點的長度為外伸長。手工碳弧氣刨時，外伸長大，壓縮空氣的噴嘴離電弧就遠，造成風(fēng)力不足，不能將熔渣順利吹掉，而且碳棒也容易折斷。一般外伸長為 80 100mm 為宜。隨著碳棒燒損，碳棒的外伸長不斷減少，當外伸長減少至 20 30mm 時，應(yīng)將外伸長重新調(diào)至 80 100mm 。    (6) 碳棒與工件間的夾角   

17、0;  碳棒與工件間的夾角( 如圖 1 所示 ) 大小，主要會影響刨槽深度和刨削速度。夾角增大，則刨削深度增加，刨削速度減小。一般手工碳弧氣刨采用夾角 45 °左右為宜。    1.3.2 常見缺陷及排除措施    (1) 夾碳   刨削速度和碳棒送進速度不穩(wěn)，造成短路熄弧，碳棒粘在未熔化的金屬上，易產(chǎn)生夾碳缺陷。夾碳缺陷處會形成一層含碳量高達 6.7 的硬脆的碳化鐵。若夾碳殘存在坡口中，焊后易產(chǎn)生氣孔和裂紋。    排除措施：夾碳主要

18、是操作不熟練造成的，因此應(yīng)提高操作技術(shù)水平。在操作過程中要細心觀察，及時調(diào)整刨削速度和碳棒送進速度。發(fā)生夾碳后，可用砂輪、風(fēng)鏟或重新用氣刨將夾碳部份清除干凈。    (2)粘渣   碳弧氣刨吹出的物質(zhì)俗稱為渣。它實質(zhì)上主要是氧化鐵和碳化鐵等化合物，易粘在刨槽的兩側(cè)而形成粘渣，焊接時容易形成氣孔。     排除措施：粘渣的主要原因是壓縮空氣壓力偏小。發(fā)生粘渣后，可用鋼絲刷、砂輪或風(fēng)鏟等工具將其清除。    (3) 銅斑   碳棒表面的銅皮

19、成塊剝落，熔化后集中熔敷到刨槽表面某處而形成銅斑。焊接時，該部位焊縫金屬的含銅量可能增加很多而引起熱裂紋。    排除措施：碳棒鍍銅質(zhì)量不好、電流過大都會造成銅皮成塊剝落而形成銅斑。因此，應(yīng)選用質(zhì)量好的碳棒和選擇合適的電流乙發(fā)生銅斑后，可用鋼絲刷、砂輪或重新用氣刨將銅斑消除干凈。 碳 弧 氣 刨     (4) 刨槽尺寸和形狀不規(guī)則 在碳弧氣刨操作；過程中小有時會產(chǎn)生刨槽不正，深淺不勻甚至刨偏的缺陷。    排除措施：產(chǎn)生這種缺陷的主要原因是操作技術(shù)不熟練，因此應(yīng)從

20、以下幾個方面改善操作技術(shù)：保持刨削速度和碳棒送進速度穩(wěn)。在刨削過程中，碳：棒的空間位置尤其是碳棒夾角應(yīng)合理且保持穩(wěn)定。；刨削時應(yīng)集中注意力，使碳棒對準預(yù)定刨削路徑。在清焊根時，應(yīng)將碳棒對準裝配間隙。     1.3.3 碳弧氣刨的操作    (1) 根據(jù)碳棒直徑選擇并調(diào)節(jié)好電流，使氣刨槍夾緊碳棒并調(diào)節(jié)碳棒外伸長為 80 100mm 左右：打開氣閥并調(diào)節(jié)好壓縮空氣流量，使氣刨槍氣口和碳棒對準待刨部位。    (2) 通過碳棒與工件輕輕接觸引燃電弧。開始時，碳棒與工件的夾角要小，

21、逐漸將夾角增大到所需的角度。在刨削過程中，弧長個刨削速度和夾角大小三者適當配合時，電弧穩(wěn)定、刨槽表面光滑明亮：否則電弧不穩(wěn)、刨槽表面可能出現(xiàn)夾碳和粘渣等缺陷。    (3) 在垂直位置時，應(yīng)由上向下操作，這樣重力的作用有利于除去熔化金屬；在平位置時，既可從左向右，也可從右向左操作；在仰位置時，熔化金屬由于重力的作用很容易落下，這時應(yīng)注意防止熔化金屬燙傷操作人員。    (4) 碳棒與工件之間的夾角由槽深而定，刨削要求深，夾角就應(yīng)大一些。然而，一次刨削的深度越大，對操作人員的技術(shù)要求越高，且容易產(chǎn)生缺陷。因此。刨槽較

22、深時，往往要求刨削 2 3 次。    (5) 要保持均勻的刨削速度。均勻清脆的嘶嘶聲表示電弧穩(wěn)定，能得到光滑均勻的刨槽。速度太快易短路：太慢又易斷弧。每段刨槽銜接時，應(yīng)在弧坑上引弧，以防止弄傷刨槽或產(chǎn)生嚴重凹痕。 1.4 低碳鋼及合金鋼的碳弧氣刨     1.4.1 低碳鋼    可采用；碳弧氣刨對低碳鋼清焊根、清除焊縫缺陷和加工坡口。一般刨槽表面有一深度為 0.54 0.72mm 的硬化層，但它基本上不影響焊接接頭的性能。這是因為焊前可用鋼絲刷或砂輪對刨槽表面進行清理，而

23、在隨后的焊接中，又將這層硬化層熔化了。     1.4.2 不銹鋼    可采用碳弧氣刨對不銹鋼清焊根、清除焊縫缺陷和加工坡口。對不銹鋼進行碳弧氣刨后，按下述原則和如圖 6 所示順序進行焊接，不會影響不銹鋼的抗晶間腐蝕性能。              圖 6 不銹鋼多層焊焊接順序A-介質(zhì)接觸面  B-氣刨剿  （1-5)各層焊道的焊接順序 

24、0;  (1) 先在介質(zhì)接觸面的一側(cè)進行底層焊接，以便在非介質(zhì)接觸面的一側(cè)清焊根，并避免碳弧氣刨的飛濺物對介質(zhì)接觸面的損傷。    (2) 盡量采用不對稱的 X 形坡口，而介質(zhì)接觸面一側(cè)的坡口較大，以使碳弧氣刨遠離介質(zhì)接觸面。    (3) 與介質(zhì)接觸表面的焊縫最后施焊，以保證焊縫的抗腐蝕性。    為了防止碳弧氣刨對不銹鋼抗晶間腐蝕性能的影響，將不銹鋼的刨槽表面用砂輪磨削干凈以后，再進行焊接。對于接觸強腐蝕介質(zhì)的超低碳不銹鋼，不允許使用碳弧氣刨清焊根，而

25、應(yīng)采用砂輪磨削。     1.4.3 0345 和 0390 鋼    可采用碳弧氣刨對 Q345 和 Q390 鋼清焊根、清除焊縫缺陷和加工坡口。對焊前要求預(yù)熱的合金鋼，應(yīng)在預(yù)熱的情況下進行碳弧氣刨。其預(yù)熱溫度應(yīng)等于或略高于焊前預(yù)熱溫度。某些對冷裂紋十分敏感的高強合金鋼厚板，不宜采用碳弧氣刨。 1.5 自動碳弧氣刨     1.5.1 自動碳弧氣刨的優(yōu)點    1) 氣刨小車和碳棒送進機構(gòu)可自動控制、無級調(diào)速。  

26、  2) 刨槽的精度高、穩(wěn)定性好。    3) 刨，槽平滑均勻、刨槽邊緣變形小。    4) 刨削速度比手工碳弧氣刨速度高五倍左右。    5) 碳棒消耗量比手工碳弧氣刨少。     1.5.2 自動碳弧氣刨設(shè)備    自動碳弧氣刨機與全位置行走機構(gòu)如圖7 所示。   碳 弧 氣 刨       &

27、#160;  圖 7 自動碳弧氣刨機與全位置行走機構(gòu)示意圖1-主電路接觸器（箱內(nèi)） 2-控制箱  3-牽引爬行器電纜  4-水平調(diào)節(jié)器  5-電纜氣管  6-電機控制電纜  7-垂直調(diào)節(jié)器  8-伺服電動機  9-氣刨頭  10-碳棒  11-軌道  12-牽引爬行器  13-定位磁鐵  14-壓縮空氣調(diào)壓氣  15-遙控器1.6 碳弧水氣刨    碳弧氣刨產(chǎn)生的煙霧和粉塵，嚴重污染環(huán)境，影響工人

28、的身體健康，特別是在密閉的容器內(nèi)操作，情況更為惡劣，采用一般的通風(fēng)措施都不能解決問題。為了控制碳弧氣刨引起的煙霧和粉塵污染，根據(jù)水噴霧可以消煙滅塵的道理，有些工廠應(yīng)用了碳弧水氣刨。     1.6.1 碳弧水氣刨設(shè)備    碳弧水氣刨設(shè)備類似碳弧氣刨設(shè)備，但增加了一個供水器和供水系統(tǒng)。其示意圖如圖 8 所示。                圖 8 碳弧水氣刨設(shè)備示意圖

29、1-工件  2-氣刨槍  3-電源  4-供水器  5-空氣壓縮器    供水器是提供水霧的裝置，其結(jié)構(gòu)見圖 9 。壓縮空氣經(jīng)管道重與容器聯(lián)通，水經(jīng)進水管 3 注入容器 2 ，水面達到 H 高度(低于出氣管 4 的底部) 后，關(guān)閉進水閥門。此時打開出氣管 4 的閥門，就有壓縮空氣從出氣管排出。再打開出水管 5 的閥門，就有壓力水從出水管噴出。若同時打開 4 和 5 ，壓縮空氣和壓力水經(jīng)三通接頭 6 混合，從而噴射出壓縮空氣和水霧占調(diào)節(jié)出氣管 4 的閥門和出水管 5 的閥門，可改變風(fēng)量及水霧的大小。當供水器內(nèi)的水面高

30、度低于 h 時，就噴不出水霧。因水在工作中呈霧狀，消耗量較少，一次灌注可用數(shù)日。         圖 9 供水器示意圖1-壓縮空氣進氣管  2-容器  3-進水管  4-壓縮空氣出氣管  5-出水管  6-水、氣、混合三通    碳弧水氣刨的關(guān)鍵，在于制造合理的供水器，以獲得均勻彌散的水霧。但還必須注意壓縮空氣與壓力水混合的三通管接頭 6 ，應(yīng)該使它盡可能地靠近氣刨槍 ( 一般在 10mm 以內(nèi) ) 這樣才能保證氣刨槍噴出挺拔

31、的水霧。    將碳弧氣刨槍稍作改造即可作為碳弧水氣刨槍。例如，將圓周送氣氣刨槍的內(nèi)體 ( 圖 10) 和外套在左端尾部釬焊以保密封，同時將內(nèi)體上的氣道內(nèi)徑由 1mm 改為 1.5mm 。    1.6.2 碳弧水氣刨工藝參數(shù)    根據(jù)試驗和生產(chǎn)試用，推薦參考工藝參數(shù)如下：          碳棒直徑       &

32、#160;    7mm          碳棒外伸長         70 90mm          壓縮空氣壓力       0.450.6MPa          氣刨電流           400 500A          刨槽深度           46mm